Definicja i zasada działania
Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, które pobiera określoną ilość energii cieplnej z dolnego źródła ciepła którym może być: grunt, woda gruntowa, powietrze, ścieki itp. i za pomocą procesów termodynamicznych przenosi ją do górnego źródła ciepła, które bezpośrednio stanowi system grzewczy budynku, ciepła woda użytkowa, ogrzewanie podłogowe, czy grzejnikowe.
Rodzaje pomp ciepła
Pompy ciepła dzielone są na podstawie dwóch głównych kryteriów: sposobu podnoszenia ciśnienia
i temperatury czynnika roboczego oraz rodzaju dolnego źródła ciepła.
Ze względu na pierwsze kryterium wyróżnia się:
– sprężarkowe pompy ciepła,
– sorpcyjne pompy ciepła (z podziałem na pompy ciepła absorpcyjne i adsorpcyjne),
– pompy ciepła Vuilleumiera.
Systemy pracy pomp ciepła
Układ monowalentny
W budynkach nowych, o ile istnieje możliwość zbudowania odpowiednio dużego układu dolnego źródła, stosuje się system monowalentny, w którym pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania na energię cieplną budynku w całym przedziale temperatury zewnętrznej.
Rozwiązanie takie wymaga stabilnego dolnego źródła ciepła o niezmiennej w ciągu roku temperaturze, pozwalającym na pobieranie odpowiednio dużej ilości energii. W praktyce rozwiązanie to może być stosowane dla pomp ciepła typu grunt/woda lub woda/woda (system dwóch studni).
Układ monoenergetyczny
W sytuacjach, w których możliwość budowy instalacji dolnego źródła jest ograniczona i pompa ciepła nie jest w stanie pokryć całkowitego zapotrzebowania na ciepło w budynku, wprowadza się wspomaganie pracy pompy przez dodatkowe źródło, tj. współpracę pompy ciepła z grzałką elektryczną (pogrzewacz przepływowy, kocioł elektryczny). Ponieważ zarówno pompa jak i pogrzewacz zasilane są energią elektryczną, układ taki nazywamy monoenergetycznym
Rozwiązanie powyższe stosowane jest w przypadku budynków nie mających podłączenia do sieci gazowej. Pompa pokrywa na ogól do 90% zapotrzebowania na energię. Można stosować tutaj głównie pompy typu solanka/woda oraz w ograniczonym zakresie typu powietrze/woda.
Praca biwalentna równoległa
Zasada działania podobna do powyższej, z tą różnicą, że przy pewnej temp. zewnętrznej tzw. temperaturze biwalentnej załącza się drugie źródło ciepła wykorzystujące inny rodzaj energii (kocioł gazowy, kocioł olejowy) i od tej pory oba źródła pracują w sposób równoległy, przy czym wraz ze spadkiem temperatury udział pompy ciepła w produkcji energii pozostaje na niezmienionym poziomie, wzrasta natomiast produkcja ze strony drugiego źródła ciepła. Rozwiązania wymaga pomp ciepła typu grunt/woda lub woda/woda, oraz kotłów o modulowanej mocy i łatwej regulacji.
Praca biwalentna alternatywna
Pompa ciepła w tym systemie pokrywa na ogół 60-80% zapotrzebowania na ciepło. Przy określonej temperaturze zewnętrznej (zwykle -7 do -9C) zostaje wyłączona i jej miejsce zajmuje drugie źródło ciepła (kocioł stałopalny, kocioł gazowy). Ten system pracy zalecany jest dla pomp typu powietrze/woda, które przy spadku temperatury powietrza zewnętrznego poniżej tzw. punktu biwalentnego są nieekonomiczne w eksploatacji.
Pompy ciepła woda/woda
Wodne pompy ciepła odbierają energię z wód głębinowych. W układzie dwóch lub więcej studni krąży woda. Zasysana jest w studni poboru za pomocą pompy głębinowej, następnie doprowadzana jest do pompy ciepła, a stamtąd odprowadzana przez studnię zrzutową do wód gruntowych. Studnia poboru jest przeważnie jedna, ale studni zrzutowych może być kilka. Głębokość studni w typowych warunkach geologicznych wynosi 6-30 m, a w praktyce nie przekracza 15 m. Spowodowane jest to zbyt wysokim kosztem podnoszenia wody z głębokości większej niż 15 m.
Należy pamiętać o tym, że na wykonanie studni głębszej niż 30 m potrzebne jest zezwolenie wodno-prawne. Aby nie dopuścić do zmieszania się wody chłodnej z wodą czerpalną, odległość między studnią poboru i studnią zrzutową powinna wynosić minimum 15 m. System woda-woda jest najtańszym rozwiązaniem, jednak nie zawsze warunki geologiczne są korzystne dla tego systemu.
Zalety:
– niskie koszty dolnego źródła przy istniejących zasobach wodnych,
– niska zależność pogodowa, stabilna temperatura źródła przez cały rok,
– mała dewastacja terenu,
– wyższy niż w układzie z gruntową pompą ciepła współczynnik efektywności. Jego wartość przekracza 4, gdyż temperatura wody głębinowej jest zawsze wyższa niż gruntu na głębokości 1 m i nie spada poniżej 5-8°C.
Wady:
– wysokie wymagania co do jakości wody (żelazo, mangan, twardość wody),
– wysokie koszty wykonania studni,
– ograniczony czas eksploatacji studni czerpalnej i zrzutowej (15-20 lat),
– dodatkowy element wrażliwy na awarie – pompa głębinowa,
– konieczne jest przeprowadzenie badań wydajności studni poboru oraz jakości wody gruntowej, gdy głębokość studni przekracza ustalone wartości – 30 m, trzeba też uzyskać pozwolenie wodno-prawne,
– jeśli woda głębinowa jest agresywna chemicznie (co ustalane jest na podstawie analizy chemicznej), może być potrzebny odpowiedni układ filtrów, a to zdecydowanie podnosi koszty inwestycji
Pompy ciepła – solanka – woda (S/W)
Pompa ciepła typu S/W współpracuje z kolektorem gruntowym, przez który przepływa czynnik roboczy
w postaci solanki, odbierający ciepło z dolnego źródła. Solanka to wodny roztwór niezamarzającego płynu o nazwie glikol. Obieg solanki jest zamknięty. Zastosowanie niezamarzającego płynu jest bardzo istotne, ponieważ solanka ochłodzona w parowniku, zanim ponownie odbierze ciepło z gruntu, może osiągać temperaturę niższą od 0°C. W pompach ciepła typu S/W stosowane są trzy różne wersje wymiennika gruntowego:
– kolektor gruntowy płaski,
– kolektor gruntowy spiralny,
– kolektor gruntowy pionowy (sondy głębinowe).
Kolektor płaski wykonuje się z rur polietylenowych o średnicy jednego cala, układanych w wykopie o głębokości 1,5-2 m, czyli około 30 cm poniżej strefy przemarzania. Jest to zwykle kilka odcinków rur o długości ok. 100 m. Przy odstępach między rurami rzędu 0,5-0,8 m z jednego m2 gruntu z kolektorem otrzymuje się moc od 10 do 40 W, w zależności od rodzaju gleby (gliniasty i wilgotny grunt oddaje więcej ciepła niż piaszczysty,
Kolektor spiralny działa na podobnej zasadzie jak kolektor płaski. Sekcje kolektora mają postać spiralnych zwojów ułożonych w rowach o długości 15-20 m i szerokości minimum 80 cm. Kolektory spiralne stanowią alternatywę do kolektorów płaskich. Wykopanie szerokich rowów o długości kilkunastu metrów jest mniej kłopotliwe niż zdjęcie dwumetrowej warstwy gruntu z dużej powierzchni
działki. Odległość pomiędzy sekcjami nie powinna być mniejsza niż 3 m. Długość przewodów dla kolektorów płaskich spiralnych trzeba zwiększyć o 30%, gdyż charakteryzują się mniejszym odbiorem jednostkowym z m2 gruntu.
Zalety kolektorów poziomych:
– relatywnie niski koszt inwestycyjny,
– prostota wykonania – brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu.
Wady kolektora poziomego:
– duży obszar zajmowanego terenu – w przypadku kolektora płaskiego,
– skrócony czas wegetacji roślin na terenie nad kolektorem,
– duże opory hydrauliczne, większe koszty pompowania glikolu.
Żwir, suchy piasek : < 20 W/mb
Żwir, piasek wodonośne : 55-65 W/mb
Glina, ił – wilgotne : 30-40 W/mb
Wapień (masywny) : 45-60 W/mb
Piaskowiec 55-65 W/mb
Kwaśne skały magmowe (granit) : 55-70 W/mb
Zasadowe skały magmowe (bazalt) : 35-55 W/mb
Gnejs :
Wszelkie prace związane z wykonaniem kolektorów gruntowych płaskich i spiralnych oraz sond głębinowych powinny być poprzedzone szczegółową analizą gruntu, a następnie powierzone wykwalifikowanej firmie wykonawczej
Zalety kolektora pionowego:
– brak zależności pogodowej,
– wysoka efektywność,
– mała dewastacja terenu,
– niskie opory hydrauliczne, niskie koszty pompowania glikolu.
Wady kolektora pionowego:
– potrzeba stosowania specjalistycznego sprzętu,
– potrzeba zezwoleń wodno–prawnych dla kolektorów powyżej 30 m głębokości.
Rys. Budowa sond gruntowych
Pompy ciepła bezpośrednie parowanie/woda (BP/W)
Kolektor gruntowy wykonany jest w tym przypadku z miedzi i pokryty z zewnątrz warstwą polietylenu wysokiej gęstości. Wewnątrz znajduje się czynnik termodynamiczny, który po zetknięciu z gruntem poprzez ścianki paruje. Metoda ta eliminuje konieczność zastosowania parownika. Dzięki temu liczba wymian ciepła zostaje zmniejszona o jedną. Ma to ogromny wpływ na podniesienie sprawności pompy ciepła, a co za tym idzie, obniżenie kosztów eksploatacji. Nitki kolektora rozkładane są tak jak w przypadku kolektora gruntowego poziomego, poniżej strefy przemarzania gruntu.
Wady i zalety pomp ciepła
Zalety instalacji z pompą ciepła
– niskie koszty eksploatacyjne oraz niskie koszty wytworzenia energii,
– stała, niezmienna efektywność instalacji – sprawność pompy ciepła w miarę upływu czasu nie spada – jest stała w całym okresie jej eksploatacji,
– długa żywotność eksploatacyjna – powyżej dwudziestu lat bez konieczności modernizacji instalacji i bez konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów w czasie eksploatacji,
– bezobsługowość,
– niezależność od dostawców i ciągłego wzrostu cen paliw (gazu, oleju opałowego) spowodowanych na przykład wyczerpywaniem się zasobów naturalnych czy międzynarodowymi konfliktami gospodarczymi,
– brak negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne – nie emituje sadzy ani spalin, nie zanieczyszcza więc otoczenia,
– bezpieczna niewybuchowa eksploatacja,
– prostota budowy (brak komina, wentylacji, dodatkowych przyłączy, pomieszczeń na opał),
– cicha praca,
– brak konieczności corocznych przeglądów i czyszczenia,
– możliwość wykorzystania pomieszczenia z pompą ciepła również do innych funkcji (pralnia, suszarnia, spiżarnia),
– zbędny komin,
– latem może służyć jako klimatyzacja i zamiast grzać, chłodzić nasz dom w upalne dni.
Wady pomp ciepła
– wysoki koszt inwestycyjny (obecnie kosztorysy firm mieszczą się w granicach od 25.000 do 45.000 zł),
– sprężarka będąca częścią oprzyrządowania wykorzystuje energię elektryczną – brak zasilania i instalacji wspomagającej (agregat prądotwórczy, baterie słoneczne) powoduje przerwanie pracy układu,
– konieczność zwiększenia powierzchni grzewczej grzejników tradycyjnych lub wykonanie ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego),
– na wymienniki układane poziomo w gruncie potrzeba sporo miejsca na działce (powierzchnia wymiennika niezbędna do osiągnięcia mocy grzewczej 10 kW może się wahać od 330 do nawet 1000 m2),